隧道支护结构技术研究

隧道支护结构技术研究

摘要：隧道工程在我国交通建设中的作用越来越重要。对于隧道工程的长期探索研究过程中，发现对隧道工程的施工方法大致包括明挖法、盾构法及矿山法等，在20世纪50年代新奥法的开挖隧道技术被提出，此方法是借鉴大量的工程经验，结合可靠的隧道设计理念，在施工监测的基础上，根据需求改善支护结构的参数及二次衬砌等支护措施，此外国内外学者对隧道的支护阻力、围岩变形与支护阻力及围岩与隧道支护结构之间的关系进行大量研究。本文就隧道支护结构技术展开探讨。

关键词：隧道支护；支护结构；衬砌；应力

引言

在隧道施工过程中，由于现场作业环境复杂，为确保作业环境的安全，在施工过程中需要应用多种支护技术，来对隧道内部的支护结构进行构建。

1隧道施工的特点

隧道工程是一项具有多元化综合性特征的工作，因工程存在于天然土体中，容易受到土体内复杂多变物理力学性质和施工技术的影响。工程具有整体危险性较大，隐蔽程度较高、循环强度也较大，施工难度很大等特点。近些年，随着道路工程规模不断扩大，隧道施工往往要穿越一些十分复杂的地段，如大断层、破碎、富水、软弱、浅埋等，这些地段通常被称为软弱围岩，也是引发隧道结构失稳，支护结构大变形，甚至造成塌方、冒顶安全事故的重要影响因素。同时，隧道施工作业空间相对局限，施工环境差，倘若没有一个良好的支护工程，将进一步增加施工人员进洞作业难度，围岩环境也会更加恶劣，对施工人员和工程安全性造成威胁，继而影响工程建设周期。另外，隧道施工并非静态施工，施工过程中隧道土体力学状态呈动态变化趋势，围岩物理力学特征也会随之改变，这就要求施工过程中要严密监测土体及围岩变化情况，探究其变化规律，选择适宜的隧

道支护结构技术，有效处理围岩失稳、变形引发的各种安全隐患，在保障工程安

全和稳定的同时，尽可能缩短工期。

2隧道支护结构的发展历程

早期的地下建筑多采用砖石材料进行支护，多为拱形圬工结构。而随着混凝

土与钢材的出现，地下建筑的支护施工进入了新阶段，形成了锚杆支护技术，最

初用于对矿山巷道的加固。而随着喷射混凝土技术的出现，并与锚杆支护技术相

互配合使用，形成了一种具有鲜明特点的新型支护技术，常用于隧道的初期支护。新奥法建立在锚喷支护的基础之上，以喷射混凝土及锚杆作为主要支护方法，在

施工期间对围岩变形进行监控测量，充分发挥其自稳能力。新奥法在初期支护表

面铺设防水层，最内层采用混凝土结构作为永久支护。其中初期支护的主要功能

是确保施工期间的安全与结构的稳定，永久支护则是确保隧道在使用期间的安全。

3隧道的支护结构

3.1衬砌的支护结构

衬砌支护结构是一种在隧道壁上密贴的支护结构形式，当衬砌与围岩接触发

生作用时，通过与松动去岩体的变形来协调，近似地可以将衬砌支护结构看作是

一种拱形或者闭合环形的结构形式，该结构因为自身所具有的柔韧性及整体性，

可以很好地改善围岩的应力状态，将局部集中的应力释放出来，限制围岩的变形。对于衬砌支护而言，它的主要作用是一种对闭合式整体起支承作用。待支护结构

施工完成之后，衬砌将会对卸载后围岩的受力重新分配，改变其应力状态，类似

一个带有刚度的膜，这个膜与隧道壁上的围岩来共同协调变形。对于衬砌所约束

的岩体，其变形量的大小主要取决于隧道壁岩层和衬砌之间的相互作用力。对岩

体来说，衬砌的支护可以阻止其发生位移。

3.2超前管棚支护技术

超前管棚支护技术主要应用在软弱围岩等不良地质中，通过各管棚之间的搭

接和连接形成具有搭扣形式的管棚结构。详细来说，就是在拟开挖隧道的外周边

衬砌隐形弧线上，沿着开挖轮廓利用管棚钻机进行钻孔并打入钢管，随后在管内

注入水泥砂浆，以提升围岩物理参数，形成伞状加固圈，改善围岩所处应力场和

掌子面应力场的一种支护技术。该技术具有支护距离长、加护技术好、经济成本低、施工便捷等优势，是近些年新发展起来的一种隧道修建辅助技术。超前管棚

支护技术主要机械设备包括钢管、管棚钻机、夯管锤等，具体施工工序为施工准

备→测量定位、施作套拱→钻孔→插入钢管→焊接外露段与钢支撑→综合检查→

注浆封孔。在管棚支护施工中，主要利用选装钻机进行钻孔作业，在架设钻机时，确保与钻进线路中心线保持一定仰角，避免出现偏移或者倾斜问题，继而导致管

棚偏离，无法充分发挥管棚支护作用。为避免这一问题产生，该项目施工人员决

定采用水平导向跟管钻进法，用棚管替代钻杆，管棚选用长度10~40m和管径

70~80mm的热轧无缝钢管。在棚管顶端安装导向钻头和角度传感器，然后通过水

平定向钻机将棚管打入土体中。在钻进过程中，角度传感器持续传出信号，施工

人员根据信号钻头钻进角度，确保钻进线路符合设计图纸要求，且注浆孔设置为

梅花形，孔间距在15~20cm，孔径在10~16mm。管棚施作之后，利用钢尺测距仪

检查每节钢管的方向和角度，确保其正确。值得注意的是，水平导向跟管钻进法

管棚施作范围长，每次至少能够施作在长度超过100m的长管棚上，不需要进行

额外的扩孔操作，而且施工作业精度高，能够及时调整钻进角度进行纠偏，还不

会对周围土体造成较大干扰和污染，也不需要另外设置管棚工作室，是目前道路

隧道支护施工中较常应用的一种施工作业方法。

3.3钢架的支护结构

对于钢架支护结构而言，它的力学模型通常为拱形，因此在采用钢架作为支

护结构时，应对岩体进行应力状态的分析、并对钢架的模型进行确定。合理地处

理钢架与隧道壁的接头以及应将钢架支护结构与隧道壁岩体有接触的部位设置为

刚性连接，因为这样有利于钢架支护整个结构的受力。但是在实际的工程中，通

常这种完全的刚性比较难以实现，因此就会产生缝隙，现今对于这类缝隙通常采

用木楔来进行填塞，对于钢架支护结构所能提供的最大支护阻力可通过下列式子

计算。

P max=（3A st I stσst）I{2sr oθ[(3I st+hA st(r o-(t B+1/2h)))×（1-cosθ）]}(1)